RS与GIS在突发性水环境事故应急处置中的应用

中国环境学会  2011年 03月30日

  杨剑1  林奎1  杨大勇1  赵坤荣1 姜国强1        环境保护部华南环境科学研究所,广州市员村西街7号大院,510655


  摘要:当前我国水环境污染事故频有发生,引起了社会和政府的广泛关注。水环境污染事故应急是一项复杂的工作,要综合考虑的内容十分复杂。本文阐述了水环境事故应急处置的一般特点,探讨了RS(遥感)与GIS(地理信息系统)技术应用于水环境事故应急处置的可行性及主要途径。
  关键字:水环境事故、RS、GIS
 

  前言
 

  近年来,随着社会经济的高速发展和人口的不断膨胀,我国环境污染问题日益严重。河流和湖泊的污染状况尤为严重,突发性水污染事故时有发生,不仅给我国的经济、社会和生态环境造成了不可估量的损失, 也威胁着我国水环境质量。如2005年松花江污染事件、2007年太湖蓝藻爆发事件、2009年盐城水污染事件等一系列重特大水环境突发事件频发,引起了政府的高度重视及社会的广泛关注。
  面对日益稀缺的水资源, 如何在事故发生后及时控制污染, 保障用水安全, 将损失降至最低程度是环保部门应该思考的问题。环境污染事故的应急处置,不但要快速了解事故类型,还要快速了解事故的发生地点、污染范围、可能的扩散面积等空间信息。高分辨率卫星遥感技术具有的适时、精准的特点,以及GIS与水环境模型有效集成后,可视化的时空模拟,在应对突发性水环境事故中具有重要作用和价值。


  1 突发性水环境事故的概念与特点
 

  1.1突发性水环境事故概念
  突发性水环境事故是指水体因一种或多种物质非正常突然的介入,而导致其化学、物理、生物等方面特性的改变,造成水质急剧恶化的现象,从而影响水的有效利用,危害人体健康或者破坏生态环境[1]。
 

  1.2 突发性水环境事故特点
  突发性水环境事故主要是由水、陆交通事故, 企业排放和管道泄漏等原因造成的, 其特点表现为突发性、扩散性、长期性和危害性[2]。
  (1)突发性。由于可能发生水污染事故的主体相当部分属于运动源, 使得事故的发生难以预料, 发生的时间和地点具有不确定性, 污染物的类型、数量、危害方式和环境破坏能力也难以确定。给事故模拟和预防工作带来了困难。
  (2)扩散性。水体的流动性决定了污染物在水中的扩散性。水域的水流状态直接影响污染物的扩散方式和扩散速度。水域的不同类型和水文变化也影响着污染物的扩散。水体被污染后呈条带状, 线路长, 危害容易被放大。一切与该流域水体发生联系的环境因素都可能受到水体污染的影响, 如河流两侧的植被、饮用河水的动物、从河流引水的工农业、用户等, 流域内的地下水由于与地表水产生交换, 也可能被污染。
  (3)影响的长期性和危害性。突发性水污染事故处理涉及因素较多, 且事发突然, 危害强度大, 必须快速、及时、有效地处理, 否则将对当地的自然生态环境造成严重破坏, 甚至对人体健康造成长期的影响, 需要长期的整治和恢复。尤其是大型流域, 其处理难度相当大, 很大程度上依靠水体的自净作用减缓危害, 这对应急监测、应急措施的要求更高。


  2   RS与GIS在水环境事故应急处置中的作用
 

  2.1 RS在水环境事故应急处置中的作用
  RS 即遥感技术,是指从不同高度和角度探测地面目标的特征。RS 的主要功能是对地面信息的获取、观测资源、传输、存储的处理。高分辨率卫星遥感数据,蕴含准确、精细的自然环境与生态背景的地理空间信息,能观察到地表的细节特征,可有效用于指导环境应急监测点位布设、人员疏散,防止污染物对河流、水源、土壤的生态破坏,减少污染带来的生命、财产及生态损失。因此,高分辨率卫星遥感数据在应对突发性水环境事故中具有很大的应用潜力,成为具有保障国家环境安全、科学防范和应对重大水环境污染事故的基础数据支撑[3]。
 

  2.2 GIS在水环境事故应急处置中的作用
  水环境污染事故的应急处置离不开基础污染信息的支持。污染处置信息不仅包括空间背景信息, 还应包括应急处置涉及到的环境信息、人员信息、设备信息、预案信息、监测信息、评估信息、政策法规、专家知识以及各种模型信息等[4]。RS为GIS 提供高质量的空间数据,而GIS则是管理这些数据的理想平台。GIS 在水环境事故应急处置中的作用包括以下几个方面:
  (1) 提供空间数据和相关属性数据的快速存取和管理功能。环境污染应急处置需要快速处理大量空间、属性数据, GIS提供高速的空间、属性数据一体化处理和管理能力, 能满足污染数据查询、更新、统计、模拟分析和预测评价的需要。
  (2) 提供分层的可视化的显示功能。可直观地将污染属性信息以图形方式显示在屏幕上。
  (3) 提供空间和属性数据间的互动查询。
  (4) 提供空间、属性数据一体化的统计分析功能。如可对污染源及相关参数进行相关分析或聚类分析,找出环境污染事故的原因。
  (5) 提供多种空间决策功能。应用GIS图形叠加分析, 如河流水系与污染源分布图的叠加, 可确定污染的扩散方向。由查询结果并结合评价分析结果可制作各种专题图, 给应急处置人员提供直观的决策依据。此外, 在污染事故的救护过程中, 最佳路径分析可用于确定距离最近的医院, 缓冲区分析可以分析污染事故周围地区的污染程度, 评价污染结果等。
  (6) 除上述GIS的基本功能外,GIS还可与水质预测模型相结合,进行污染物时空分布预测、污染物浓度随时间变化预测以及污染物浓度变化趋势分析,并且能够根据各种需要和可能做出多方案的模拟和比较,以获得不同参数或策略因素输入时系统动态变化的行为和趋势,能科学、有效和方便地辅助应急处理的决策指挥。


  3 应用案例


  3.1 研究背景及概况
  2005年11 月19日至12 月16 日韶关冶炼厂废水处理系统停产检修,在27 天的检修期间内,约1000 立方米镉浓度197 mg/L 的废水排入北江, 据测算,超标排入北江的镉总量约为3.63 吨,造成北江韶关段镉严重超标。经监测分析,污染带长度近百公里。另外,枯水期北江韶关段众多小炼铟企业所排含镉污水也加重了镉污染程度。
  为了准确了解事故点的周边自然生态环境背景状况,利用高分辨率遥感影像库数据对现场进行图像分析,制定监测方案。GIS与水质模型集成,实现了污染物扩散随时间和空间变化的实时动态可视化,为各水库最佳的水量与时间调控方案的提出,为闸库系统调水控污方案的优化决策提供了科学依据。


  3.2 事故地点确定
  环保部门每年都进行环境统计,建立了重点污染源数据库,事故发生后,从数据库中查询出该企业地理位置、原辅材料、经纬度等基本信息。根据经纬度信息,在高分辨率遥感图上标注该企业的位置(图1),从图上可以了解事故点周边的地形地貌等信息。
 

  3.3 环境监测点位布设
      由于事故点的排污口位于北江上游,排入水体中有毒污染物对沿江的饮用水源、河流水质、土壤造成严重影响。事故发生后,立即启动了应急监测方案,针对污染事故点现场河流分布情况,在北江流域共设立了孟洲坝、白沙、高桥、白石窖、飞来峡等21 个监测断面(图2),统一时间,每2小时监测一次,并根据水质变化及时调整监测方案,增加监测断面,加大监测频率。及时了解污染物浓度,为抢险指挥提供了数据支持和决策依据。
 

  3.4 污染事故模拟情景分析
  事故处理过程中,通过反复计算和核定,确定河流镉污染物的总量,建立了流域梯级系统水量、水质动态预报模型。水质模型与GIS集成,不仅较准确地预测预报出污染带前锋到达时间、污染峰值及出现时间、超标天数等污染态势,还能模拟出各种处理措施实施前后污染峰值和历时的削减效果,实现了污染物扩散随时间和空间变化的实时动态可视化[5-6]。
  本文基于三种不同的情景进行了模拟。情景1:未采取任何处理措施的情况下计算的污染物在河网中的运动;情景2:采取联合调度流域水利设施,控制污染水团移动;情景3:采取投放絮凝剂对超标水团进行工程处置,通过絮凝沉淀作用使污染峰值消减并采取联合调度流域水域设施,调水控污。模拟计算的结果中包括了不同时刻、不同位置的污染物浓度,利用GIS 技术根据污染物浓度值的大小以颜色的深浅动态显示各时刻的污染物扩散运移过程。参照污染物种类和污染浓度分级标准,本文将污染物浓度划分为4个级别,不同浓度以不同颜色表示。模拟效果图如图3-4 所示。
   
  4  结语
  由于突发性水环境污染事故的自身特点,需要多方面的协调配合,为事故处理赢得时间,提高事故处理应急决策水平。将RS与GIS应用于水环境事故应急处置中,可以缩短事故响应时间,及时判断污染事故的影响范围、程度,为科学制定监测方案和防止污染扩散,提高环境应急管理工作效率[7]。
  总之, 在水环境事故应急处置中, RS与GIS在数据管理、信息可视化,辅助决策支持等方面发挥了重要的作用,但基本上都是一些二维的应用。随着我国水环境应急工作的需求,可以进一步在三维仿真模拟以及水质模型与实时监测数据的接入方面进行研究,才能更好地为水环境污染事故的应急处置提供更高层次的辅助决策支持作用。
  [1]万本太.突发性环境污染事故应急监测与处理处置技术[M].北京:中国环境科学出版社,1996.
  [2]王立章.突发环境污染事故应急体系与预案[J].中国环境科学,2005,(2).
  [3]李旭文.高分辨率卫星遥感数据在突发性环境污染事故应急处理中的应用[J].污 染 防 治 技 术 2007,20(3):34-36.
  [4]杨凌.地理信息系统在环境应急管理中的应用环境与可持续发展[J].2007(5):49-50.
  [5]张波. 基于GIS的水污染事故水质模拟系统动力学模型研究与应用[D].北京:中国科学院遥感应用研究所,2007.
  [6]丁贤荣,徐健,姚琪,等. GIS与数模集成的水污染突发事故时空模拟[J].河海大学学报(自然科学版) ,2003 ,31 (2) : 203-206.
  [7]闫志刚,盛业华,左金霞. 3S 技术及其在环境信息系统中的应用[J].测绘通报,2001(增刊):17-20.

 
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